本發(fā)明涉及公路設(shè)施監(jiān)測，具體涉及一種基于無線組網(wǎng)的公路護(hù)欄實時監(jiān)測裝置及系統(tǒng)。
背景技術(shù)：
1、隨著全球交通基礎(chǔ)設(shè)施建設(shè)的快速發(fā)展和車輛保有量的持續(xù)增長，公路交通安全問題日益突出，公路護(hù)欄作為道路安全防護(hù)的重要設(shè)施，其作用是在車輛失控時提供物理屏障，減少事故對人員和車輛的傷害，隨著道路交通量的增大，交通事故的發(fā)生率也逐漸上升，其是在發(fā)生車輛失控或撞擊護(hù)欄等事故時，護(hù)欄的結(jié)構(gòu)是否完整和有效，直接關(guān)系到事故的嚴(yán)重程度及其后果，因此，確保護(hù)欄系統(tǒng)在任何時候都能正常工作是交通安全的重要任務(wù)。
2、現(xiàn)有技術(shù)中，護(hù)欄多為靜態(tài)結(jié)構(gòu)，無法主動感知碰撞事件，僅能依賴事故后的檢查發(fā)現(xiàn)損壞，存在響應(yīng)滯后的情況，導(dǎo)致修復(fù)不及時，可能引發(fā)二次事故，而且隨著公路網(wǎng)絡(luò)的擴(kuò)展，難以覆蓋更為廣泛和偏遠(yuǎn)的區(qū)域，因此，如何結(jié)合無線傳感器網(wǎng)絡(luò)擴(kuò)大公路護(hù)欄監(jiān)測的覆蓋范圍，確保監(jiān)測響應(yīng)的實時性，是本發(fā)明要解決的問題，為此，現(xiàn)提出一種基于無線組網(wǎng)的公路護(hù)欄實時監(jiān)測裝置及系統(tǒng)。
技術(shù)實現(xiàn)思路
1、本發(fā)明目的在于提供一種基于無線組網(wǎng)的公路護(hù)欄實時監(jiān)測裝置及系統(tǒng)，以解決上述背景技術(shù)中提出的問題。
2、為解決上述技術(shù)問題，本發(fā)明所采用的技術(shù)方案是：
3、第一方面，一種基于無線組網(wǎng)的公路護(hù)欄實時監(jiān)測裝置，所述護(hù)欄監(jiān)測器，所述護(hù)欄監(jiān)測器的外緣表面上固定安裝有固定件，所述護(hù)欄監(jiān)測器通過固定件可拆卸式安裝在公路護(hù)欄的待監(jiān)測區(qū)域，所述護(hù)欄監(jiān)測器內(nèi)部集成有包括形變傳感器、振動傳感器和傾斜角度傳感器的無線傳感器，以及北斗定位模塊。
4、第二方面，一種基于無線組網(wǎng)的公路護(hù)欄實時監(jiān)測系統(tǒng)，基于上述所述的基于無線組網(wǎng)的公路護(hù)欄實時監(jiān)測裝置而實現(xiàn)，包括云端數(shù)據(jù)管理平臺，所述云端數(shù)據(jù)管理平臺通信連接有護(hù)欄監(jiān)測節(jié)點(diǎn)模塊、邊緣計算網(wǎng)關(guān)模塊、異常狀態(tài)報警模塊以及運(yùn)維管理模塊，其中，各模塊間電信號連接；
5、所述云端數(shù)據(jù)管理平臺，用于接收并存儲護(hù)欄狀態(tài)數(shù)據(jù)，支持分布式存儲和備份，提供api接口，便于與其他交通管理系統(tǒng)(道路監(jiān)控平臺)集成，實現(xiàn)數(shù)據(jù)的集中管理和共享，提升協(xié)同效率；
6、所述護(hù)欄監(jiān)測節(jié)點(diǎn)模塊，用于在待監(jiān)測區(qū)域規(guī)劃監(jiān)測節(jié)點(diǎn)，并在各監(jiān)測節(jié)點(diǎn)部署護(hù)欄監(jiān)測器，以實時采集各監(jiān)測節(jié)點(diǎn)的護(hù)欄狀態(tài)數(shù)據(jù)；
7、所述邊緣計算網(wǎng)關(guān)模塊，用于在待監(jiān)測區(qū)域的路段關(guān)鍵節(jié)點(diǎn)部署網(wǎng)關(guān)設(shè)備，接收護(hù)欄監(jiān)測節(jié)點(diǎn)模塊的數(shù)據(jù)，整合得到護(hù)欄狀態(tài)序列表，并結(jié)合預(yù)設(shè)的異常閾值進(jìn)行異常事件的初步檢測分析，進(jìn)而通過4g/5g回傳至云端數(shù)據(jù)管理平臺，減少云端數(shù)據(jù)壓力，降低無線傳輸帶寬需求，提升系統(tǒng)響應(yīng)速度，確保實時性；
8、所述異常狀態(tài)報警模塊，用于結(jié)合網(wǎng)關(guān)設(shè)備的異常事件初步檢測結(jié)果，進(jìn)一步診斷護(hù)欄狀態(tài)是否異常，并觸發(fā)警報機(jī)制，以推送報警信息；
9、所述運(yùn)維管理模塊，用于向用戶提供交互界面，支持運(yùn)維人員實時查看護(hù)欄監(jiān)測器狀態(tài)、接收報警信息和規(guī)劃維護(hù)路線，并集成ar導(dǎo)航功能，輔助現(xiàn)場快速定位故障點(diǎn)。
10、本發(fā)明技術(shù)方案的進(jìn)一步改進(jìn)在于：所述護(hù)欄監(jiān)測節(jié)點(diǎn)模塊包括數(shù)據(jù)采集處理單元、定位單元和無線組網(wǎng)通信單元；
11、其中，所述數(shù)據(jù)采集處理單元，用于利用護(hù)欄監(jiān)測器集成的無線傳感器，采集并預(yù)處理護(hù)欄物理狀態(tài)數(shù)據(jù)，以全面感知護(hù)欄的健康狀況，實現(xiàn)護(hù)欄狀態(tài)的主動感知，替代傳統(tǒng)被動巡檢，減少人工成本；
12、所述定位單元，用于通過北斗定位技術(shù)，標(biāo)記各監(jiān)測節(jié)點(diǎn)的護(hù)欄具體坐標(biāo)，確保在發(fā)生異常時，能夠快速定位護(hù)欄損壞的位置，便于維修人員快速響應(yīng)；
13、所述無線組網(wǎng)通信單元，用于構(gòu)建自組網(wǎng)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)，進(jìn)行護(hù)欄狀態(tài)數(shù)據(jù)與護(hù)欄具體坐標(biāo)的傳輸，確保數(shù)據(jù)的實時傳輸，擴(kuò)大監(jiān)測范圍至偏遠(yuǎn)路段，覆蓋偏遠(yuǎn)或復(fù)雜地形區(qū)域，解決傳統(tǒng)布線困難的問題，降低部署成本。
14、本發(fā)明技術(shù)方案的進(jìn)一步改進(jìn)在于：所述數(shù)據(jù)采集處理單元具體包括：
15、基于道路結(jié)構(gòu)特征及事故易發(fā)點(diǎn)分析，劃定重點(diǎn)監(jiān)測區(qū)域，并采用網(wǎng)格化方法，按100-200米間距劃分監(jiān)測區(qū)域為獨(dú)立子區(qū)段，在子區(qū)段幾何中心位置規(guī)劃監(jiān)測節(jié)點(diǎn)，進(jìn)而將護(hù)欄監(jiān)測器部署在監(jiān)測節(jié)點(diǎn)處，確保每個子區(qū)段覆蓋長度不超過護(hù)欄監(jiān)測器中傳感器有效監(jiān)測半徑的1.5倍；
16、向護(hù)欄監(jiān)測器中集成的無線傳感器發(fā)送激活信號，按照預(yù)設(shè)的采樣頻率實時采集護(hù)欄包括形變、振動和傾斜角度的原始物理狀態(tài)數(shù)據(jù)，其中，無線傳感器包括形變傳感器、振動傳感器和傾斜角度傳感器；
17、對采集的原始物理狀態(tài)數(shù)據(jù)進(jìn)行預(yù)處理操作，包括數(shù)據(jù)清洗、濾波和歸一化。
18、本發(fā)明技術(shù)方案的進(jìn)一步改進(jìn)在于：所述定位單元具體包括：
19、利用護(hù)欄監(jiān)測器內(nèi)集成的高精度北斗定位模塊，對各監(jiān)測節(jié)點(diǎn)進(jìn)行坐標(biāo)采集；
20、按預(yù)設(shè)順序逐一激活監(jiān)測節(jié)點(diǎn)定位功能，實時獲取經(jīng)緯度、高程的地理信息，并附加時間戳與節(jié)點(diǎn)id作為數(shù)據(jù)包，將數(shù)據(jù)包存儲至本地數(shù)據(jù)庫，其中，將數(shù)據(jù)包以json/xml格式存儲至嵌入式sqlite數(shù)據(jù)庫，確保斷電后數(shù)據(jù)不丟失；
21、通過接收信號強(qiáng)度(rssi)、信噪比(c/n0)參數(shù)，篩選出信號弱(rssi<-100dbm)或遮擋嚴(yán)重(c/n0<25db-hz)的節(jié)點(diǎn)，標(biāo)記為異常監(jiān)測節(jié)點(diǎn)，將異常監(jiān)測節(jié)點(diǎn)標(biāo)記為待復(fù)測目標(biāo)，并在日志中記錄異常原因(衛(wèi)星可見數(shù)不足、多路徑效應(yīng))，確保初始坐標(biāo)的完整性與準(zhǔn)確性；
22、每日凌晨低流量時段(02:00-04:00)統(tǒng)一激活所有監(jiān)測節(jié)點(diǎn)，減少對其他系統(tǒng)的干擾，對每個監(jiān)測節(jié)點(diǎn)進(jìn)行3次獨(dú)立定位，取平均值以降低隨機(jī)誤差，并將復(fù)測坐標(biāo)與初始坐標(biāo)進(jìn)行歐氏距離計算，得到位移偏差，基于工程經(jīng)驗與結(jié)構(gòu)安全標(biāo)準(zhǔn)，設(shè)定靜態(tài)位移報警閾值為±5cm，進(jìn)而對連續(xù)7天的位移數(shù)據(jù)進(jìn)行線性回歸擬合，若斜率超過±0.5mm/天，則觸發(fā)護(hù)欄的自然偏移預(yù)警。
23、本發(fā)明技術(shù)方案的進(jìn)一步改進(jìn)在于：所述無線組網(wǎng)通信單元具體包括：
24、根據(jù)監(jiān)測區(qū)域的地形和監(jiān)測節(jié)點(diǎn)分布，自動構(gòu)建自組網(wǎng)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)，各監(jiān)測節(jié)點(diǎn)在初始化階段廣播包括id、位置和信號強(qiáng)度的自身信息，接收鄰近監(jiān)測節(jié)點(diǎn)的響應(yīng)數(shù)據(jù)，建立動態(tài)路由表，并且各監(jiān)測節(jié)點(diǎn)依據(jù)信號質(zhì)量、鏈路穩(wěn)定性及剩余電量參數(shù)，選擇最優(yōu)路徑進(jìn)行互聯(lián)，形成多跳中繼網(wǎng)絡(luò)；
25、各監(jiān)測節(jié)點(diǎn)實時采集護(hù)欄狀態(tài)數(shù)據(jù)及高精度定位坐標(biāo)，經(jīng)本地預(yù)處理后，按照統(tǒng)一協(xié)議(mqtt-sn或coap)封裝為數(shù)據(jù)包，附加時間戳、節(jié)點(diǎn)id及校驗信息，數(shù)據(jù)包采用輕量化設(shè)計，優(yōu)化冗余字段，減少傳輸開銷，其中，對于信號弱或遮擋嚴(yán)重的節(jié)點(diǎn)，系統(tǒng)啟用數(shù)據(jù)緩存機(jī)制，待鏈路恢復(fù)后批量補(bǔ)傳，確保數(shù)據(jù)完整性與實時性平衡；
26、封裝后的數(shù)據(jù)包在自組網(wǎng)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)中通過多跳路由機(jī)制逐級傳輸至網(wǎng)關(guān)節(jié)點(diǎn)，源節(jié)點(diǎn)根據(jù)動態(tài)路由表選擇下一跳中繼節(jié)點(diǎn)，中繼節(jié)點(diǎn)接收數(shù)據(jù)后更新ttl(生存時間)字段并轉(zhuǎn)發(fā)，避免環(huán)路，且網(wǎng)關(guān)節(jié)點(diǎn)對接收數(shù)據(jù)進(jìn)行完整性校驗，丟棄異常包并請求重傳，確保數(shù)據(jù)準(zhǔn)確率。
27、本發(fā)明技術(shù)方案的進(jìn)一步改進(jìn)在于：所述邊緣計算網(wǎng)關(guān)模塊具體包括：
28、在監(jiān)測區(qū)域的關(guān)鍵節(jié)點(diǎn)部署lorawan/zigbee網(wǎng)關(guān)設(shè)備，確保覆蓋半徑≥2km(lora)或50-100m(zigbee)，通過多信道無線接口(lora或zigbee)接收鄰近監(jiān)測節(jié)點(diǎn)上傳的數(shù)據(jù)包，并依據(jù)預(yù)設(shè)協(xié)議(mqtt-sn/coap)解析數(shù)據(jù)包頭，提取節(jié)點(diǎn)id、時間戳、信號強(qiáng)度的元信息，驗證crc校驗碼確保數(shù)據(jù)完整性，針對不同傳感器的數(shù)據(jù)格式，采用動態(tài)解碼表完成原始數(shù)據(jù)還原，形成結(jié)構(gòu)化數(shù)據(jù)流；
29、基于時間戳對齊機(jī)制，將多節(jié)點(diǎn)數(shù)據(jù)進(jìn)行空間-時間關(guān)聯(lián)，構(gòu)建護(hù)欄狀態(tài)序列矩陣，所述護(hù)欄狀態(tài)序列矩陣融合定位坐標(biāo)及監(jiān)測指標(biāo)，并通過滑動窗口技術(shù)劃分時間片段，采用空間插值算法填補(bǔ)節(jié)點(diǎn)缺失數(shù)據(jù)，確保序列連續(xù)性，最終輸出包含完整時空特征的護(hù)欄狀態(tài)序列表，其中，滑動窗口大小設(shè)為30分鐘，步長為5分鐘；
30、對比預(yù)設(shè)的異常閾值，對護(hù)欄狀態(tài)進(jìn)行初步異常事件的檢測分析，篩選出偏離異常閾值的異常數(shù)據(jù)點(diǎn)，即為異常護(hù)欄狀態(tài)；
31、基于篩選出的異常護(hù)欄狀態(tài)數(shù)據(jù)，標(biāo)記異常事件的時間、位置和類型，進(jìn)而將篩選出的異常護(hù)欄狀態(tài)數(shù)據(jù)壓縮為json格式，通過4g/5g回傳至云端數(shù)據(jù)管理平臺。
32、本發(fā)明技術(shù)方案的進(jìn)一步改進(jìn)在于：所述異常護(hù)欄狀態(tài)包括形變超限、振動異常和傾斜角度變化；
33、其中，形變超限的異常閾值分為預(yù)警閾值和報警閾值，預(yù)警閾值為>15mm，報警閾值為>20mm，振動異常的異常閾值為持續(xù)10秒加速度>0.8m/s2，傾斜角度變化的異常閾值分為預(yù)警閾值和報警閾值，預(yù)警閾值為>3°，報警閾值為>5°。
34、本發(fā)明技術(shù)方案的進(jìn)一步改進(jìn)在于：所述異常狀態(tài)報警模塊具體包括：
35、接收網(wǎng)關(guān)設(shè)備上傳的初步檢測結(jié)果(含監(jiān)測節(jié)點(diǎn)id、時間戳、異常類型及原始值)，按監(jiān)測區(qū)域與時間窗口進(jìn)行聚合，進(jìn)而通過空間一致性校驗(對比鄰近節(jié)點(diǎn)數(shù)據(jù)波動范圍)剔除孤立異常點(diǎn)，利用時序平滑算法抑制瞬時噪聲；
36、預(yù)設(shè)異常事件診斷規(guī)則，當(dāng)同一監(jiān)測節(jié)點(diǎn)連續(xù)3次觸發(fā)同一類型異常閾值，判定為真實異常事件，否則標(biāo)記為瞬時波動，進(jìn)而篩選有效異常事件，生成標(biāo)準(zhǔn)化異常事件列表；
37、分析標(biāo)準(zhǔn)化異常事件列表，進(jìn)一步診斷護(hù)欄狀態(tài)，匹配異常護(hù)欄狀態(tài)類型；
38、基于異常護(hù)欄狀態(tài)類型的匹配結(jié)果，輸出不同的警報等級，單一項異常護(hù)欄狀態(tài)類型觸發(fā)一級警報，任意兩項組合的異常護(hù)欄狀態(tài)類型觸發(fā)二級警報，所有項異常護(hù)欄狀態(tài)類型觸發(fā)三級警報，通過多通道推送機(jī)制，同步向云端數(shù)據(jù)管理平臺發(fā)送警報信息，確保信息覆蓋關(guān)鍵決策鏈路，其中，警報信息包含異常事件的位置(定位坐標(biāo))、時間、類型及建議處置措施，形成閉環(huán)響應(yīng)機(jī)制。
39、本發(fā)明技術(shù)方案的進(jìn)一步改進(jìn)在于：所述運(yùn)維管理模塊具體包括：
40、向用戶提供交互界面，實時顯示護(hù)欄監(jiān)測器的狀態(tài)信息，包括位置、健康狀況和運(yùn)行狀態(tài)，并采用地圖可視化技術(shù)，將護(hù)欄監(jiān)測器的位置與狀態(tài)信息直觀展示，正常狀態(tài)以綠色標(biāo)識，預(yù)警狀態(tài)以黃色標(biāo)識，報警狀態(tài)以紅色標(biāo)識，使運(yùn)維人員可通過交互界面快速瀏覽整體監(jiān)控情況，點(diǎn)擊具體監(jiān)測節(jié)點(diǎn)查看詳細(xì)信息；
41、實時接收異常狀態(tài)報警模塊推送的警報信息，涵蓋異常事件的位置(定位坐標(biāo))、時間、類型及建議處置措施，報警信息按等級分類顯示，一級警報以通知形式提示，二級警報彈出警告窗口，三級警報觸發(fā)聲音警報并閃爍提示，運(yùn)維人員可對報警信息進(jìn)行確認(rèn)、處理狀態(tài)標(biāo)記，系統(tǒng)自動記錄處理過程，形成報警處理歷史記錄；
42、基于報警信息和護(hù)欄監(jiān)測器的地理分布，規(guī)劃維護(hù)路線，輸入可用維修團(tuán)隊的位置和資源情況，自動生成維護(hù)路線，并以圖形化方式展示在地圖上，支持維修任務(wù)分配，將任務(wù)詳情推送給相應(yīng)維修人員，包括任務(wù)位置、異常類型和建議處置措施，提高維護(hù)效率；
43、當(dāng)運(yùn)維人員到達(dá)故障現(xiàn)場附近時，啟用運(yùn)維管理模塊中的ar導(dǎo)航功能，將虛擬的導(dǎo)航信息與現(xiàn)實場景實時融合，在運(yùn)維人員的視野中直觀顯示故障點(diǎn)的具體位置、方向指引及周圍環(huán)境信息。
44、由于采用了上述技術(shù)方案，本發(fā)明相對現(xiàn)有技術(shù)來說，取得的技術(shù)進(jìn)步是：
45、1、本發(fā)明提供一種基于無線組網(wǎng)的公路護(hù)欄實時監(jiān)測裝置及系統(tǒng)，通過無線組網(wǎng)技術(shù)，實現(xiàn)了對公路護(hù)欄狀態(tài)的實時監(jiān)測，能夠及時捕捉到護(hù)欄的微小形變、異常振動和傾斜角度變化，從而提高了交通安全監(jiān)測的實時性和準(zhǔn)確性，主動感知的方式相較于傳統(tǒng)被動巡檢，大大減少了人工成本和漏檢風(fēng)險，為道路交通安全提供了有力保障。
46、2、本發(fā)明提供一種基于無線組網(wǎng)的公路護(hù)欄實時監(jiān)測裝置及系統(tǒng)，采用無線組網(wǎng)通信單元，構(gòu)建自組網(wǎng)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)，無需復(fù)雜的布線工程，即可覆蓋偏遠(yuǎn)路段和復(fù)雜地形區(qū)域，不僅降低了部署成本，還提高了監(jiān)測的靈活性和可擴(kuò)展性，使得更多公路護(hù)欄能夠得到有效的安全監(jiān)測，通過邊緣計算網(wǎng)關(guān)模塊的初步檢測分析和異常狀態(tài)報警模塊的進(jìn)一步診斷，系統(tǒng)能夠迅速識別并觸發(fā)警報機(jī)制，將異常事件信息實時推送給運(yùn)維人員，有助于減少二次事故的發(fā)生，提高道路通行效率和安全性。